DE102020124076A1

DE102020124076A1 - Temperatursteuervorrichtung mit Sensorplausibilisierung

Info

Publication number: DE102020124076A1
Application number: DE102020124076.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Stenger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperatursteuervorrichtung (100) zum Einstellen einer Temperatur eines strömenden Fluids mit einem Leitungssystem (110) durch das das Fluid geführt wird, einer in dem Leitungssystem (110) angeordneten Wärmetauschvorrichtung (120), die geeignet ist, die Temperatur des Fluids zu verändern, zumindest einem in dem Leitungssystem angeordneten Kontrollabschnitt (130), für den eine Temperatur eingestellt werden soll, Temperatursensoren (140) zum Messen der Temperatur des Fluids in dem Kontrollabschnitt (130) und im Bereich der Wärmetauschvorrichtung (120) und einer Steuervorrichtung (150), die geeignet ist, basierend auf einem mathematischen Modell eines Wärmetransports in der Temperatursteuervorrichtung (100) Messwerte der Temperatursensoren (140) auf Plausibilität zu überprüfen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperatursteuervorrichtung, die in der Lage ist, Messwerte von Temperatursensoren anhand eines mathematischen Modells zu plausibilisieren. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder ein das Brennstoffzellensystem aufweisendes Kraftfahrzeug mit einer derartigen Temperatursteuervorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Einstellung der Temperatur eines Gasstroms bekannt, wie z.B. der Anoden- oder Kathodengasströme einer Brennstoffzelle. In derartigen Temperatursteuervorrichtungen wird eine Vielzahl von Temperatursensoren verwendet, um eine präzise Einstellung der Temperatur des Gasstroms vornehmen zu können, insbesondere vor bzw. in einer Systemkomponente, die für eine optimale Funktion nur in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden sollte. Brennstoffzellen mit derartige Temperatursteuervorrichtungen sind z.B. aus der EP 3 486 987 A1 , der EP 3 139 142 A1 oder der CN 109 950 587 A bekannt.
Eine präzise Einstellung der Temperatur kann nur dann erreicht werden, wenn die Messwerte der Temperatursensoren ausreichend genau sind. Eine spezifische Kontrolle der Sensoren ist aber zumeist nicht möglich, da die Sensoren nicht ohne weiteres für Testzwecke ausgebaut werden können. Deshalb wird versucht, das fehlerfreie Funktionieren der Sensoren während des laufenden Betriebs festzustellen. Es wird geprüft, ob die von den Sensoren ausgegebenen Messwerte plausibel genug erscheinen, um eine fehlerfreie Funktion annehmen zu können.
Die in diesem Zusammenhang bekannten Verfahren für eine Plausibilisierung der Temperatursensoren sind jedoch mit Nachteilen behaftet. Insbesondere können bei den bekannten Verfahren die Diagnoseschärfe sehr begrenzt und eine kontinuierliche Überwachung der Sensoren nicht möglich sein.
So kann beispielsweise bei einem sogenannten „Physical Range Check“ überprüft werden, ob der Messwert des Sensors für eine bestimmte Umgebungstemperatur, z.B. zwischen -30°C und +50 °C, in einem plausiblen Bereich liegt. Die Diagnoseschärfe dieser Methode ist allerdings äußerst schlecht. Hiermit lässt sich im Wesentlichen nur feststellen, ob der Sensor überhaupt funktionsfähig ist.
Bei einem sogenannten „Kaltstart-Crosscheck“ wird beispielsweise überprüft, ob die Sensoren einer Temperatursteuervorrichtung einer Maschine, wie etwa einer Brennstoffzelle oder eines Kraftfahrzeugs, nach Abstellen und Auskühlen der Maschine den gleichen Wert anzeigen. Hierfür ist allerdings eine ausreichend lange Abschaltzeit der Maschine erforderlich, die nicht immer gegeben ist wenn die Maschine häufig benutzt werden muss. Außerdem können Umwelteinflüsse, wie z.B. Sonneneinstrahlung den Abgleich der Sensoren erschweren. Für eine präzise Plausibilisierung, wie sie z.B. für die Feuchteregelung einer Brennstoffzelle erforderlich ist, sind diese einfachen Verfahren daher nicht einsetzbar.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Temperatursteuervorrichtung anzugeben, die geeignet ist, Messwerte von darin verwendeten Temperatursensoren präzise und kontinuierlich zu plausibilisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Temperatursteuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und durch eine Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine Temperatursteuervorrichtung zum Einstellen einer Temperatur eines strömenden Fluids kann ein Leitungssystem durch das das Fluid geführt wird, eine in dem Leitungssystem angeordnete Wärmetauschvorrichtung, die geeignet ist, die Temperatur des Fluids zu verändern, zumindest einen in dem Leitungssystem angeordneten Kontrollabschnitt, für den eine Temperatur eingestellt werden soll, und Temperatursensoren zum Messen der Temperatur des Fluids in dem Kontrollabschnitt und im Bereich der Wärmetauschvorrichtung aufweisen. Des Weiteren kann die Temperatursteuervorrichtung eine Steuervorrichtung aufweisen, die geeignet ist, basierend auf einem mathematischen Modell eines Wärmetransports in der Temperatursteuervorrichtung Messwerte der Temperatursensoren auf Plausibilität zu überprüfen.
Die Temperatursteuervorrichtung wird also zur Steuerung bzw. Einstellung einer Temperatur in einem bestimmten Bereich eines Leitungssystems verwendet. Dieser Kontrollabschnitt kann z.B. einer Vorrichtung vorgelagert sein, die für einen optimalen Betrieb mit dem durch das Leitungssystem strömenden Fluid bei einer bestimmten Temperatur versorgt werden sollte. Diese bestimmte Temperatur kann dann mit Bezug auf den Kontrollabschnitt eingestellt werden, so dass das Fluid mit dieser bestimmten Temperatur in die Vorrichtung gelangt.
Um die Einstellung vornehmen zu können, weist die Temperatursteuervorrichtung eine Wärmetauschvorrichtung auf, durch die das Fluid strömt und in der es Wärme aufnehmen oder abgeben kann. Durch die dadurch herbeigeführte Temperaturänderung kann die Temperatur im Kontrollabschnitt eingestellt werden.
Zudem weist die Temperatursteuervorrichtung Temperatursensoren auf, die die Temperatur im Kontrollabschnitt und in und/oder an der Wärmetauschvorrichtung messen können. Basierend auf den gemessenen Temperaturwerten kann der Wärmeaustausch in der Wärmetauschvorrichtung angepasst werden, um die gewünschten Temperaturen im Leistungssystem erzielen zu können. Dies kann durch die Steuervorrichtung der Temperatursteuervorrichtung veranlasst werden, bei der es sich z.B. um einen Computer, einen Prozessor, ein Programm oder dergleichen handeln kann.
Die Steuervorrichtung ist des Weiteren in der Lage, ein mathematisches Modell des Wärmetransports zu verwenden, wie z.B. eine Simulation der Fluidströmung im Leitungssystem, eine Modellierung von Wärme übertragenden Komponenten z.B. mittels der NTU-Methode oder eine andere physikalische Modellierung, um Temperaturwerte der Temperatursensoren auf deren Plausibilität zu prüfen.
Dies erlaubt es, die Funktionalität aller Temperatursensoren kontinuierlich und während des laufenden Betriebs der Temperatursteuervorrichtung, d.h. während der Führung von Fluid durch das Leitungssystem, zu überwachen. Zudem Erhöht sich durch die Verwendung eines spezifisch und individuell auf das Leitungssystem und die Wärmetauschvorrichtung zugeschnittenen mathematischen Modells die für die Plausibilisierung mögliche Präzision. Fehler der Temperatursensoren, die sich negativ auf den Betrieb der über die Temperatursteuervorrichtung gekühlten/geheizten Komponenten auswirken können, können damit rasch erkannt und beseitigt werden, bevor es zu Schäden kommen kann.
Zur Plausibilisierung kann die Steuervorrichtung anhand des mathematischen Modells, vorzugsweise kontinuierlich, Temperaturwerte des Fluids an den Positionen der Temperatursensoren berechnen, mit den tatsächlich gemessenen Temperaturwerten vergleichen und bei einer Abweichung der berechneten Temperaturwerte von den gemessenen Temperaturwerten, die größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, eine Warnung erzeugen.
Die modellierten Temperaturwerte werden also konkret berechnet. Ebenso erfolgt ein konkreter Abgleich mit den gemessenen Temperaturen, z.B. durch Bildung des Differenzbetrags. Weichen die gemessenen Werte zu sehr von den mathematisch vorhergesagten Werten ab, so ist davon auszugehen, dass die Funktionalität eines oder mehrerer Sensoren gestört ist. Die Steuervorrichtung erzeugt deshalb eine Warnung, z.B. ein Signal, dass an einer Benutzerschnittstelle eine Warnbenachrichtigung erzeugt. Diese erlaubt es dem Benutzer des Systems, die Temperatursensoren zu warten oder auszuwechseln, um den bestehenden Fehler zu beseitigen. Auf diese Weise können Schäden am System aufgrund von fehlerhaften Temperaturmessungen verhindert werden.
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die Temperatur im Kontrollabschnitt basierend auf Temperaturmesswerten von nicht im Kontrollabschnitt angeordneten Temperatursensoren zu berechnen und mit der im Kontrollabschnitt gemessenen Temperatur zu vergleichen. Das mathematische Modell erlaubt es also, einen bestimmten Temperaturwert aus den anderen gemessenen Temperaturwerten abzuleiten. Hierbei kann es sich vorzugsweise um die Temperatur im Kontrollabschnitt handeln, da diese für den Betrieb einer zu kühlenden/heizenden Komponente ausschlaggebend ist. Unterschiede zwischen berechnetem und gemessenem Temperaturwert lassen dann Rückschlüsse darauf zu, dass entweder die Eingangsgrößen, d.h. die verwendeten Temperaturmesswerte, fehlerbehaftet sind, da sich aus Ihnen kein korrektes Resultat herleiten lässt. Oder die Funktion des Temperatursensors für den Kontrollabschnitt ist fehlerhaft, da er nicht mit dem berechneten Temperaturwert übereinstimmt. Auf diese Weise kann die Plausibilität sämtlicher Temperaturmesswerte gleichzeitig geprüft werden, da nur eine Übereinstimmung von berechnetem und gemessenem Temperaturwert die korrekte Funktion aller Temperatursensoren anzeigt. Dies gestattet eine effektive Plausibilisierung aller Temperatursensoren.
In das Leitungssystem strömendes Fluid kann den Kontrollabschnitt entweder über die Wärmetauschvorrichtung oder über eine Umgehungsleitung erreichen, die die Wärmetauschvorrichtung umgeht. Zudem passiert aus dem Leitungssystem strömendes Fluid die Wärmetauschvorrichtung nach dem Durchgang durch den Kontrollabschnitt. Nur ein erster Teil des Fluids, der den Kontrollabschnitt erreicht, unterliegt also dem Wärmetausch in der Wärmetauschvorrichtung, während ein anderer zweiter Teil an dieser vorbeigeführt wird, um wieder mit dem ersten Teil vermischt zu werden. Dies erhöht die Freiheit bei der Einstellung der Temperatur im Kontrollabschnitt, da eine Temperaturänderung auch über die Mischung des ersten Teils des Fluids mit dem zweiten Teil erreicht werden kann.
Die Wärmetauschvorrichtung kann eine erste Durchgangsleitung und eine zweite Durchgangsleitung aufweisen, die jede mit jeweils einem Eingang und einem Ausgang der Wärmetauschvorrichtung verbunden sind und zwischen denen Wärmeübertragung stattfinden kann. Ein Eingang der Umgehungsleitung kann mit dem Eingang der ersten Durchgangsleitung und einem Eingang des Leitungssystems verbunden sein, ein Ausgang der Umgehungsleitung kann mit dem Ausgang der ersten Durchgangsleitung und dem Kontrollabschnitt verbunden sein, der Eingang der zweiten Durchgangsleitung kann mit dem Kontrollabschnitt verbunden sein und der Ausgang der zweiten Durchgangsleitung kann mit einem Ausgang des Leitungssystems verbunden sein. Ein erster Temperatursensor kann in dem Kontrollabschnitt angeordnet sein, ein zweiter Temperatursensor kann vor dem Eingang der zweiten Durchgangsleitung angeordnet sein und ein dritter Temperatursensor kann vor dem Eingang der ersten Durchgangsleitung angeordnet sein. Ein Objekt kann zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor angeordnet sein, durch das Fluid nur mit der für den Kontrollabschnitt eingestellten Temperatur fließen soll.
Durch die Wärmetauschvorrichtung führen also zwei Leitungen. Die erste Durchgangsleitung führt zum Kontrollabschnitt, die zweite Durchgangsleitung von diesem weg. Zudem ist die Umgehungsleitung parallel zur ersten Durchgangsleitung geschalten und ein Objekt, das auf die Temperatur des Kontrollabschnittes gebracht werden soll, ist hinter dem Kontrollabschnitt angeordnet. Bei diesem Objekt kann es sich auch um eine Vorrichtung handeln, die das Fluid verbraucht, wie z.B. um die Anode oder Kathode einer Brennstoffzelle. Temperatursensoren sind im Kontrollabschnitt und an den beiden Eingängen der Wärmetauschvorrichtung angeordnet. Dies ermöglicht es, basierend auf den Eingangstemperaturen des Fluids in die Wärmetauschvorrichtung die Temperatur im Kontrollabschnitt zu berechnen. Es kann also in einfacher Weise eine Temperatureinstellung im Kontrollabschnitt erzielt werden, die im laufenden Betrieb plausibilisiert werden kann.
Die Wärmetauschvorrichtung kann ein Befeuchter sein, in dem die Feuchte eines in der ersten Durchgangsleitung strömenden Gases eingestellt werden kann. Dies erlaubt es, neben der Temperatur auch den Wasserdampfgehalt eines Gases einzustellen, das in den Kontrollabschnitt strömt. Zudem kann der Wasserdampfgehalt über die Umgehungsleitung durch Zumischen von Gas, das nicht durch den Befeuchter geführt wurde, zusätzlich eingestellt werden. Dies ermöglicht den Einsatz der oben beschriebenen Temperatursteuervorrichtung in Geräten, in denen neben der Temperatur auch der Wassergehalt des Fluids wichtig ist, z.B. in Brennstoffzellen zur Einstellung des Kathodengases.
Das mathematische Modell kann einen Wärmeübergang in der Wärmetauschvorrichtung und eine Mischung von durch die Umgehungsleitung und durch die Wärmetauschvorrichtung strömendem Fluid abbilden. Vorzugsweise kann das mathematische Modell zusätzlich Wärmeverluste in der Wärmetauschvorrichtung und der Umgehungsleistung und/oder thermische Massen von Wärmetauschvorrichtung und Umgehungsleitung berücksichtigen. Das mathematische Modell kann also auf die wichtigsten Wärmeübertragungsmöglichkeiten eingegrenzt werden, d.h. den Wärmeaustausch in der Wärmetauschvorrichtung und die Temperaturänderung aufgrund der Mischung von an der Wärmetauschvorrichtung vorbeigeführtem und durch diese hindurchgeführtem Fluid. Dadurch kann die notwendige Rechenkapazität bei gleichbleibender Qualität der Ergebnisse verringert werden. Falls gewünscht können zur Verfeinerung des Modells und damit zur Erhöhung der Präzision der Plausibilisierung auch weitere physikalische Prozesse in das mathematisch Modell einbezogen werden, wie etwa Wärmeverluste und thermische Massen.
Ein Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode auf, die geeignet ist, unter Zuführung von Anodengas, insbesondere von Wasserstoff, zur Anode und Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode eine elektrische Spannung zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem weist des Weiteren eine Temperatursteuervorrichtung auf wie sie oben beschrieben wurde. Hierbei ist die Temperatursteuervorrichtung zum Einstellen der Temperatur des Kathodengases geeignet und der Kontrollabschnitt ist vor der Kathode angeordnet.
Die Temperatursteuervorrichtung dient also zur Einstellung der Temperatur des Kathodengases, das der Kathode einer Brennstoffzelle zugeführt wird.
Die Brennstoffzelle gehört hierbei prinzipiell einem aus dem Stand der Technik bekannten Typ an. Es kann sich etwa um eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, eine Direktmethanolbrennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle oder eine Festoxidbrennstoffzelle handeln. Der Ausdruck „Brennstoffzelle“ soll hierbei sowohl eine einzelne aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehende Zelle bezeichnen, sowie eine Mehrzahl von derartigen zu einem Stapel/Stack verbundenen Brennstoffzellen.
Hierbei soll das Kathodengas im Kontrollabschnitt die Temperatur haben, die optimal für den Betrieb der Brennstoffzelle ist, da sich an diesen die Kathode anschließt. Wird als Wärmetauschvorrichtung ein Befeuchter verwendet, kann zudem auch der Wassergehalt und damit die Befeuchtung der Kathode eingestellt werden. Temperatursensoren an den Eingängen des Befeuchters sind entscheidend für die Betriebscharakteristik der Wasserübertragung. Die genaue Kenntnis und Plausibilisierung dieser Temperaturen ist daher von besonderem Interesse.
Die Temperatur im Kontrollabschnitt ist die Eingangstemperatur der Kathodenseite der Brennstoffzelle. Sie spielt für die Eintrittsfeuchte in die Brennstoffzelle eine wichtige Rolle. Zudem kann über die Messung der Temperatur im Kontrollabschnitt die maximal zulässige Eintrittstemperatur in den Stapel überwacht werden. Ein dort angeordneter Sensor dient daher auch dem Bauteilschutz der Brennstoffzelle. Da diese das teuerste Bauteil des Brennstoffzellensystems ist, ist dessen Schutz vor Schäden daher stets von hohem Interesse. Eine möglichst genau Plausibilisierung der Temperaturmessung im Kontrollabschnitt ist deshalb besonders vorteilhaft.
Die Verwendung der oben beschriebenen Temperatursteuervorrichtung zur Einstellung der Temperatur des Kathodengases erlaubt es also, die für diese Einstellung besonders wichtigen Temperatursensoren kontinuierlich und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems auf ihre Funktionstüchtigkeit zu prüfen. Sollten Fehlfunktionen auftreten, können diese rasch erkannt und z.B. durch eine systematische Prüfung der beteiligten Temperatursensoren beseitigt werden.
Überdies kann die kontinuierliche Plausibilisierung auch dazu verwendet werden, das benutzte mathematische Modell auszubauen oder anderweitig zu verbessern. Für den Fall einer stets stimmigen Modellierung z.B. des Temperatursensors im Kontrollabschnitt, könnte dieser auch entfallen und rein durch die modellierten Werte ersetzt werden. Hierdurch würden sich die Kosten für das Brennstoffzellensystem reduzieren.
Ein Kraftfahrzeug kann eine Temperatursteuervorrichtung oder ein Brennstoffzellensystem aufweisen, wie sie oben beschrieben wurden. Die Temperatursteuervorrichtung kann hierbei zum Einstellen der Temperaturen verschiedener Komponenten des Kraftfahrzeugs verwendet werden, insbesondere jedoch für den Betrieb einer das Kraftfahrzeug antreibenden Brennstoffzelle. Dies erlaubt es, Sensoren im Kraftfahrzeug frühzeitig zu wechseln, bevor andere, teurere Komponenten des Kraftfahrzeugs Schaden nehmen. Neben einem Kraftfahrzeug kann die Temperatursteuervorrichtung bzw. das Brennstoffzellensystem mit ähnlichen Vorteilen auch in beliebigen anderen Fahrzeugen, wie Flugzeugen, Schiffen oder U-Booten, oder auch in stationären Stromerzeugungsanlagen verwendet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Temperatursteuervorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Temperatursteuervorrichtung;
3 eine schematisch Darstellung eines Brennstoffzellensystems; und
4 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs.

In 1 ist in schematischer Weise eine Temperatursteuervorrichtung 100 gezeigt, die geeignet ist, eine Temperatur eines Fluids in einem Leitungssystem 110 einzustellen bzw. zu steuern oder zu regeln. Das Fluid wird hierbei durch das Leitungssystem 110 geführt und tauscht in einer Wärmetauschvorrichtung 120 Wärme aus, d.h. es wird erhitzt oder abgekühlt, um in einem Kontrollabschnitt 130 des Leitungssystems 110 eine vorgegebene Temperatur aufzuweisen.
Das Leitungssystem 110 kann hierbei beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich um ein offenes Leitungssystem 110 handeln, das von einem Fluid, z.B. einem Gas wie Luft oder einer (Kühl-)Flüssigkeit wie Wasser, durchströmt wird. Das Fluid wird also in das Leitungssystem 110 eingesaugt, z.B. durch eine Pumpe oder einen Ventilator und nach Durchströmen des Leitungssystems 110 wieder ausgestoßen. Ansaugen und Ausstoßen kann dabei aus der bzw. in die Umgebung oder aus einem bzw. in ein Reservoir, wie etwa einen Tank, erfolgen. Das Leitungssystem 110 kann also insbesondere Umgebungsluft zu einem System führen, das diese verbraucht oder damit gekühlt wird, und hierauf wieder in die Umgebung ausstoßen. Alternativ kann es sich bei dem Leitungssystem 110 auch um einen geschlossenen Heiz- oder Kühlkreislauf handeln. Es versteht sich im Lichte des oben gesagten selbst, dass die Darstellung der 1 rein schematisch ist und keine Rückschlüsse auf ein tatsächliche geometrische Ausgestaltung oder Leitungsführung des Leitungssystems 110 erlaubt.
Auch die Wärmetauschvorrichtung 120 kann im Prinzip jede beliebige einem Fachmann bekannte Form annehmen. Zum Beispiel kann es sich bei der Wärmetauschvorrichtung 120 um einen von dem Fluid durchströmten Radiator, eine Ventilatorvorrichtung oder einen Wärmetauscher handeln, in dem Wärme von oder zu einem anderen Fluid übertragen werden kann. Wie weiter unten beschrieben kann es sich bei der Wärmetauschvorrichtung 120 auch um einen Befeuchter handeln. Der prinzipielle Aufbau von verschiedenen als Wärmetauschvorrichtung 120 verwendbaren Anlagen zum Heizen und/oder Kühlen des Fluids in dem Leitungssystem 110 ist einem Fachmann bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben zu werden.
Um die Temperatur im Kontrollabschnitt 130 effektiv einstellen zu können, weist die Temperatursteuervorrichtung 100 eine Mehrzahl von Temperatursensoren 140 auf, die in dem Leitungssystem 110 verteilt angeordnet sind. Die Temperatursensoren 140 sind hierbei bevorzugt im Kontrollabschnitt 130 und im Bereich der Wärmetauschvorrichtung 120 angeordnet, z.B. nach ihr, vor ihr oder auch in ihr. Die Temperatursensoren 140 ermöglichen, die Temperaturverteilung bzw. die Temperaturänderungen im Leitungssystem 110 zu erfassen, um zu prüfen, ob die für den Kontrollabschnitt 130 erwünschte Temperatur erreicht wird und um gegebenenfalls die Wärmeübertragung in der Wärmetauschvorrichtung 120 anzupassen.
Insbesondere weist die Temperatursteuervorrichtung 100 eine Steuervorrichtung 150, etwa einen Computer, einen Prozessor, ein Programm oder dergleichen auf, die die Temperatursensoren 140 ausliest und die Wärmetauschvorrichtung 120 derart steuert, dass im Kontrollabschnitt 130 die angestrebte Temperatur erreicht wird.
Der Kontrollabschnitt 130 kann hierbei im Prinzip jeder beliebige Bereich des Leitungssystems 110 sein. Es können auch ein Mehrzahl von Kontrollabschnitten 130 vorhanden sein, für die jeweils eine eigene, vorgegebene Temperatur erreicht werden muss, gegebenenfalls auch gekoppelt mit einer Mehrzahl von verschiedenen Wärmetauschvorrichtungen 120 im Leitungssystem 110. Der oder die Kontrollabschnitte 130 können aber insbesondere (unmittelbar) vor zu kühlenden Objekten oder mit dem Fluid zu versorgenden Geräten angeordnet sein, um sicherzustellen, dass dieses die richtige Temperatur aufweist, wenn es die Objekte/Geräte erreicht. Der Kontrollabschnitt 130 kann hierbei auch in derartigen Objekten oder Geräten liegen.
Die Einstellbarkeit der Temperatur im Kontrollabschnitt 130 hängt von der Richtigkeit der von den Temperatursensoren 140 gemessenen Temperaturwerte ab, da basierend auf diesen Werten die Wärmetauschvorrichtung 120 gesteuert wird. Um die korrekte Funktionsweise der Temperatursensoren 140 zu überwachen, d.h. um die gemessenen Werte zu plausibilisieren, kann die Steuervorrichtung 150 auf ein mathematisches Modell des Wärmetransports in der Temperatursteuervorrichtung 100 zurückgreifen, mit dem sich die Temperaturen an den Orten der Temperatursensoren 140 modellieren lassen. Die Steuervorrichtung 150 kann die Modellierung bzw. Simulierung des Wärmestroms im Leitungssystem 110 dabei selbst vornehmen oder dies dezentral auf einem Server vornehmen lassen, um nur anhand der Ergebnisse der Modellierung zu agieren.
Das mathematische Modell kann hierbei z.B. eine Abschätzung für die Temperaturverteilung im Leitungssystem 110 liefern, d.h. eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit, dass die an bestimmten Temperatursensoren 140 gemessenen Temperaturwerte größer oder kleiner sind, als die an anderen Temperatursensoren 140 gemessenen Werte. Liegt dann die Wahrscheinlichkeit für eine Verteilung der gemessenen Temperaturwerte unter einem bestimmten Grenzwert, kann davon ausgegangen werden, dass eine Fehlfunktion aufgetreten ist (unter der Annahme, dass das Modell über einen hinreichend langen Zeitraum, z.B. für mehrere Stunden, Tage oder Wochen, mit den Messwerten konsistente Verteilungen ergeben hat).
Auf diese Weise ist es möglich, die Plausibilität der Ergebnisse der Temperaturmessungen fortlaufend und für alle Messungen gleichzeitig zu ermitteln.
Alternativ ermittelt die Steuervorrichtung 140 für jeden Ort, an dem ein Temperatursensor 140 angeordnet ist, einen konkreten Wert für die Temperatur, z.B. einen Erwartungswert. Die gemessene Temperatur jedes Temperatursensors 140 wird dann mit der berechneten verglichen, z.B. durch Bildung des Differenzbetrags. Liegen berechnete und gemessene Temperatur weiter als ein vorgegebener Grenzwert auseinander, z.B. um mehr als eine oder zwei Standardabweichungen des jeweiligen Erwartungswerts, so wird eine Fehlfunktion zumindest eines Temperatursensors 140 angenommen. Auch dies kann kontinuierlich geschehen, um eine dauerhafte Überwachung der Temperatursensoren 140 gewährleisten zu können.
Von besonderem Interesse ist hierbei ein im Kontrollabschnitt 130 angeordneter Temperatursensor 140. Die Steuervorrichtung 150 kann zur gezielten Überwachung dieses Sensors die Temperaturmesswerte der anderen Temperatursensoren 140 als Eingangsparameter für das mathematische Modell heranziehen, um daraus einen Wert für die Temperatur im Kontrollabschnitt 130 zu berechnen. Dies kann auch basierend auf einer bestimmten Untergruppe von Temperatursensoren 140 geschehen, die einem von mehreren Kontrollabschnitten 130 zugeordnet sind.
Das mathematische Modell wird also verwendet, um aus einer Gruppe von realen Messwerten, eine Abschätzung für einen weiteren Messwert zu erhalten. Diese Abschätzung wird dann mit dem korrespondierenden realen Messwert verglichen. Zeigt sich nach ausreichend langer Übereinstimmung der beiden Werte eine Abweichung, kann von einer Fehlfunktion eines der Temperatursensoren 140 ausgegangen werden. Entweder war eine Eingangsmessung falsch oder die Messung zum Abgleich mit der Abschätzung war nicht korrekt. Auf diese Weise kann also unter spezieller Modellierung eines Temperaturwertes die Plausibilität mehrerer Messwerte erreicht werden.
Zudem besteht die Möglichkeit, auf den Temperatursensor 140 im Kontrollabschnitt 130 zu verzichten, wenn festgestellt wird, dass die Temperaturbestimmung über das mathematische Modell verlässlicher ist, als die Temperaturbestimmung mit dem Sensor. Auf diese Weise lassen sich Kosten für Sensoreinbau und -wartung senken.
Stellt die Steuervorrichtung 150 in einer der oben beschriebenen Weisen eine Fehlfunktion eines der Temperatursensoren 140 fest, so kann sie eine Warnung generieren, die über entsprechende Mittel an einen Benutzer der Temperatursteuervorrichtung 100 ausgegeben werden kann, z.B. als akustischer oder visueller Warnhinweis. Der Benutzer kann dann eine systematische Prüfung aller involvierten Temperatursensoren 140 vornehmen, um mangelnde Effizienz oder Beschädigung eines Objekts/Geräts zu verhindern, für das die Temperatursteuerung vorgesehen ist. Die Temperatursteuervorrichtung 100 erlaubt also eine effiziente und rechtzeitige Wartung der vorhandenen Temperatursensoren 140 und vermindert so das Risiko von durch eine fehlerhafte Temperatursteuerung hervorgerufenen Schäden.
Die 2 zeigt eine Temperatursteuervorrichtung 100, in der neben den oben beschriebenen Komponenten eine Umgehungsleitung 115 und ein Objekt/Gerät 160 vorhanden sind. Zudem ist die Wärmetauschvorrichtung 120 als ein im Gegenstrom betriebener Wärmetauscher mit zwei Durchgangsleitungen 122, 124 dargestellt. Obwohl all diese Komponenten im Folgenden mit Bezug auf die 2 beschrieben werden, können sie auch einzeln Bestandteil einer Temperatursteuervorrichtung 100 sein.
Es können auch, wie durch das Referenzzeichen 148 dargestellt, weitere Sensoren vorhanden sein, z.B. zur Messung des Drucks, der Strömungsgeschwindigkeit und dergleichen. Die Anordnung der Sensoren 148 ist hierbei rein exemplarisch, derartige Sensoren können überall im Leitungssystem 110 positioniert werden.
Die Umgehungsleitung 115 dient in bekannter Weise dazu, einen Anteil von frisch zugeführtem Fluid zu bestimmen, der die Wärmetauschvorrichtung 120 passiert, bevor er den Kontrollabschnitt 130 bzw. das dahinter liegende Objekt/Gerät 160 erreicht. Die Aufteilung des Fluidstroms zwischen Umgehungsleitung 115 und einer (ersten) Durchgangsleitung 122 durch die Wärmetauschvorrichtung 120 wird hierbei über ein oder mehrere Ventile 117 vorgenommen. Vorzugsweise geschieht dies durch die Steuervorrichtung 150, die hierdurch einen weiteren Freiheitsgrad für die Temperatureinstellung gewinnt, da sich die Temperaturen des Fluids am Ausgang der Umgehungsleitung 115 und der Durchgangsleitung 122 unterscheiden und unterschiedliche Anteile in der resultierenden Mischung verschiedene Temperaturen im Kontrollabschnitt 130 zur Folge haben.
Nach Durchgang durch die Umgehungsleitung 115 bzw. die Wärmetauschvorrichtung 120 passiert das Fluid den Kontrollabschnitt 123 und einen darin angeordneten ersten Temperatursensor 142, der eine erste Temperatur T1 misst. Diese erste Temperatur T1 entspricht in erster Näherung der Temperatur, mit der das Fluid in das Objekt 160 strömt. Die Fluidtemperatur für das Objekt/Gerät 160 kann also über die erste Temperatur T1 eingestellt werden.
Nach dem Austritt aus dem Objekt 160 kann das Fluid in einer zweiten Durchgangsleitung 124 wieder durch die Wärmetauschvorrichtung 120 geführt werden, um Wärme mit dem in der ersten Durchgangsleitung 122 geführten Fluid zu tauschen. Hierauf kann das Fluid (gegebenenfalls über weitere Stationen) aus dem Leitungssystems 110 ausgestoßen werden.
Vor dem Eingang der zweiten Durchgangsleitung 124 kann ein zweiter Temperatursensor 144 angeordnet sein, der eine zweite Temperatur T2 misst, die das aus dem Leitungssystem 110 abgeleitete Fluid aufweist, bevor es in die Wärmetauschvorrichtung 120 eintritt. Ein dritter Temperatursensor 146 kann vor dem Eingang in die erste Durchgangsleitung 122 bzw. in die Umgehungsleistung 115 angeordnet sein. Er misst eine dritte Temperatur T3 des frisch in die Wärmetauschvorrichtung 120 einströmenden Fluids.
Wie oben dargelegt, ist es vorteilhaft mittels eines mathematischen Modells die erste Temperatur T1 basierend auf Messungen für die zweite Temperatur T2 und die dritte Temperatur T3 zu berechnen. Hierzu ist insbesondere der Wärmeübergang in der Wärmetauschvorrichtung 120, d.h. zwischen der ersten und der zweiten Durchgangsleitung 122, 124, sowie die durch Mischung resultierende Temperatur hinter der Umgehungsleitung 115 von Interesse. Ein verfeinertes Modell kann ebenfalls die Wärmeverluste in der Wärmetauschvorrichtung 120 sowie in der Umgehungsleitung 115 sowie die thermischen Massen dieser Komponenten der Temperatursteuervorrichtung 100 berücksichtigen.
Eine mathematischen Modellierung des Wärmeübergangs stellt das NTU (Number of Transfer Units) Verfahren dar. Diese soll im Folgenden kurz erläutert werden. Details hinsichtlich des NTU-Verfahrens können z.B. in Baehr, H. D., Stephan, K. „Wärme- und Stoffübertragung“ (10. Auflage, Springer-Verlag 2019) gefunden werden, das insofern als Teil der Beschreibung gelten soll, als es sich auf die beschriebenen Temperatursteuervorrichtungen beziehen. Es versteht sich von selbst, dass neben dem NTU-Verfahren auch andere Verfahren verwendet werden können, insbesondere auch Simulationen des Strömungsverhaltens und dergleichen.
Als Eingangsgrößen in das Temperaturmodell, werden die zweite Temperatur T2 und die dritte Temperatur T3 benötigt, die die Eintrittstemperaturen in die Wärmetauschvorrichtung 120 darstellen. Ferner werden die Wärmekapazitätsströme ΔW1, ΔW2 durch die erste und die zweite Durchgangsleitung 122, 124 benötigt, d.h. der Massenstrom multipliziert mit der spezifischen Wärmekapazität c_p. Die Massenströme können z.B. durch Messung oder ebenfalls durch Simulation bestimmt werden. Zuletzt wird der kA-Wert benötigt, der das Produkt aus Wärmedurchgangskoeffizient und Wärmeübertragungsfläche ist und der für jede Wärmetauschvorrichtung 120 bestimmt werden kann. Aus diesen Parametern lassen sich Temperaturen T2', T3' an den Ausgängen der ersten und der zweiten Durchgangsleitung 122, 124 bestimmen. Hierfür gilt: $T 2' = T 2 - ε 1 (T 2 - T3); und T3' = T3 + ε 2 (T 2 - T3) .$
Die Größen ε1 und ε2 sind dabei definiert als $ε i = 1 - exp [- (1 - exp (- C_{i} \cdot N_{i})) / C_{i}], i = 1 oder 2$
mit C₁ = ΔW1/ΔW2, C₂ = ΔW2/ΔW1 und N_i = kA/ΔWi.
Wie oben angegeben, muss der kA-Wert für jede Wärmetauschvorrichtung 120 bestimmt werden. Dies ist jedoch experimentell möglich, z.B. unter Verwendung der obigen Gleichungen und Messungen der Temperaturen und der Massenströme. Ebenso ist es möglich, den kA-Wert für manche Wärmetauschvorrichtungen 120 analytisch herzuleiten.
Für einen Hohlfaser-Befeuchter, in dem Wärme in einem Bündel von mehreren tausend Röhrchen übertragen wird, ergibt sich z.B. $\frac{1}{k A} = \frac{1}{π n L_{e f f}} (\frac{1}{α_{w e t} \cdot d_{i}} + \frac{l n (\frac{d_{a}}{d_{i}})}{2 \cdot λ_{s}} + \frac{1}{α_{d r y} \cdot d_{a}})$

Hierbei sind

n	Faseranzahl des Befeuchter
L_eff	effektive Faserlänge für den Wärmeübergang	[m]
d_i	Innendurchmesser der Faser	[m]
d_a	Außendurchmesser der Faser	[m]
λ_s	Wärmeleitfähigkeit Fasermaterial	[W/mK]
α_wet	Wärmedurchgangskoeffizient Abluftseite	[W/m²K]
α_dry	Wärmedurchgangskoeffizient Zuluftseite	[W/m²K]

Wie man der obigen Gleichung entnehmen kann, hängt der kA-Wert stark von der Geometrie des Faserpakets ab. Die geometrischen Parameter können relativ leicht bestimmt werden. Die Berechnung der Wärmedurchgangskoeffizienten α_wet und α_dry kann über die Ermittlung der Nußelt-Zahl erfolgen. Auf der Abluftseite liegt der Fall einer Rohr-Innenströmung vor. In diesem Fall gilt für die Nußelt-Zahl ${Nu}_{wet} = α_{w e t} \cdot d_{i} / λ_{s} .$
Für die Nußelt-Zahl einer laminaren Rohrströmung kann in der Regel ein Wert von 3,66 angenommen werden, was die relevanten Größen für die Abluftseite ergibt.
Bei der Berechnung des Wärmeübergangs α_dry muss die Nußelt-Zahl für einen quer angeströmten Zylinder berechnet werden. Aus der Nußelt-Zahl für den Einzelzylinder kann mittels eines Anordnungsfaktors die Nußelt-Zahl für das Rohrbündel abgeleitet werden. Dies ist z.B. im oben genannten Baehr, H. D., Stephan, K. „Wärme- und Stoffübertragung“ erläutert, das diesbezüglich Teil der vorliegenden Beschreibung sein soll.
Für einen Hohlfaser-Befeuchter lässt sich der kA-Wert also auch analytisch bestimmen.
Aus den Temperaturen T3 und T3' lässt sich dann die Temperatur T1 im Kontrollabschnitt basierend auf folgender Gleichung bestimmen: $T 1 = \frac{c_{p, d r y, o u t}}{c_{p, m i x}} (1 - w_{B Y P}) T 3' + \frac{c_{p, a m b}}{c_{p, m i x}} w_{B Y P} T 3.$

Hierbei sind

C_p,mix	Wärmekapazität des Fluids nach der Mischung	[kJ/kgK]
C_p,dry,out	Wärmekapazität nach der ersten Durchgangsleitung	[kJ/kgK]
C_p,amb	Wärmekapazität vor der ersten Durchgangsleitung	[kJ/kgK]
W_BYP	Bypass-Anteil der Zuluft (abhängig von den Ventilen 117)

Hierbei gilt für C_p,mix, C_p,dry,out und C_p,amb $c_{p, m i x} = (1 - w_{B Y P}) c_{p, d r y, o u t} + w_{B Y P} c_{p, a m b}$
$c_{p, d r y, o u t} oder c_{p, a m b} = (1 - w_{H 2 O, d r y, o u t}) c_{p L} + w_{H 2 O, d r y, o u t} C_{p W}$
mit

W_H20,dry,out Massenteil Wasserdampf

C_pL Wärmekapazität reine trockene Luft [1,0046 kJ/kgK]

C_pW Wärmekapazität reiner Wasserdampf [1,8630 kJ/kgK]
Die Wärmekapazitäten können hierbei gegebenenfalls als temperaturunabhängig angenommen werden, z.B. wenn die Betriebstemperatur ausreichend niedrig ist, wie es etwa bei Brennstoffzellen der Fall ist.
Durch eine derartige Modellierung kann die erste Temperatur T1 im Kontrollabschnitt 130 basierend auf den Temperaturen T2 und T3 an den Eingängen einer als Hohlfaser-Befeuchter ausgebildeten Wärmetauschvorrichtung 120 berechnet werden. Ein Abgleich mit den tatsächlich von dem ersten Temperatursensor 142 gemessenen Werten ermöglicht damit eine Plausibilisierung der Messwerte der involvierten Temperatursensoren 142, 144, 146.
Die oben erläuterte Temperatursteuervorrichtung 100 kann besonders vorteilhaft in einem Brennstoffzellensystem 200 eingesetzt werden, wie es schematisch in der 3 gezeigt ist. Die 3 unterscheidet sich dabei von der 2 darin, dass das Objekt/Gerät 160 der 2 durch eine Brennstoffzelle 210 des Brennstoffzellensystems 200 konkretisiert ist.
Die Brennstoffzelle 210 weist eine Anode 212 und eine Kathode 214 auf, denen Anodengas und Kathodengas zugeführt werden, um in der Brennstoffzelle elektrischen Strom zu erzeugen. Aufbau und Funktionsweise der Brennstoffzelle 210 bzw. eine Brennstoffzellenstapels sind hierbei hinreichend bekannt. Auf eine detaillierte Beschreibung kann deshalb hier verzichtet werden.
Das Kathodengas, üblicherweise Luftsauerstoff, wird der Kathode 214 über das Leitungssystem 110 der Temperatursteuervorrichtung 100 zugeführt. Zur Temperaturregelung wird eine Wärmetauschvorrichtung 120 verwendet, die auch zur Einstellung der Feuchte des frisch zugeführten Kathodengases geeignet ist, z.B. ein Hohlfaser-Befeuchter für den die Berechnung des kA-Wertes oben beschrieben wurde. Dies erlaubt es, neben der Temperatur auch den Feuchtegrad des Kathodengases zu steuern, um die Durchfeuchtung der Brennstoffzelle 210 in einem für den Betrieb optimalen Bereich zu halten.
Die Temperaturen T1, T2 und T3, die oben beschrieben wurden, sind hierbei für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 200 von besonderer Relevanz.
Die erste Temperatur T1 ist die Eingangstemperatur in die Brennstoffzelle 210 bzw. den Brennstoffzellenstapel. Sie spielt für die Eintrittsfeuchte des Kathodengases eine wichtige Rolle und sollte daher möglichst genau plausibilisiert werden können. Des Weiteren kann über die erste Temperatur T1 die maximal zulässige Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle 210 überwacht werden. Die Messung/Abschätzung der ersten Temperatur T1 dient daher auch dem Bauteilschutz der Brennstoffzelle 210, die das teuerste Bauteil des Brennstoffzellensystems 200 darstellt und dessen Schutz vor Schäden daher von hohem Interesse ist.
Die Temperaturen T2 und T3 sind als Eingangsgrößen des Befeuchters entscheidend für die Betriebscharakteristik der Wasserübertragung. Die genaue Kenntnis dieser Temperaturen ist daher ebenfalls von besonderem Interesse.
Wie oben beschrieben lassen sich diese wichtigen Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 200 mit einer Temperatursteuervorrichtung 100 wie sie oben beschrieben wurde verlässlich und kontinuierlich plausibilisieren. Dies erlaubt es, Fehlfunktionen der entsprechenden Temperatursensoren 142, 144, 146 frühzeitig zu entdecken und Schäden an der Brennstoffzelle 210 durch Austausch, Kalibrierung oder Reparatur zu vermeiden. Dadurch wird im Endeffekt die Effizienz und die Lebensdauer der Brennstoffzelle 200 erhöht.
Dies ist insbesondere in Kraftfahrzeugen 300 von Vorteil, die mit Brennstoffzellensystemen 200 ausgestattet sind, wie sie oben beschrieben wurden. Ein derartiges Kraftfahrzeug 300 ist in schematischer Weise in der 4 gezeigt.
Eine effiziente und langlebige Brennstoffzelle 200 erhöht die Reichweite des Kraftfahrzeugs 300 und senkt Nutzungs- und Wartungskosten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3486987 A1 [0002]
EP 3139142 A1 [0002]
CN 109950587 A [0002]

Claims

Temperatursteuervorrichtung (100) zum Einstellen einer Temperatur eines strömenden Fluids, aufweisend ein Leitungssystem (110) durch das das Fluid geführt wird; eine in dem Leitungssystem (110) angeordnete Wärmetauschvorrichtung (120), die geeignet ist, die Temperatur des Fluids zu verändern; zumindest einen in dem Leitungssystem angeordneten Kontrollabschnitt (130), für den eine Temperatur eingestellt werden soll; Temperatursensoren (140) zum Messen der Temperatur des Fluids in dem Kontrollabschnitt (130) und im Bereich der Wärmetauschvorrichtung (120); und eine Steuervorrichtung (150), die geeignet ist, basierend auf einem mathematischen Modell eines Wärmetransports in der Temperatursteuervorrichtung (100) Messwerte der Temperatursensoren (140) auf Plausibilität zu überprüfen.
Temperatursteuervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (150) anhand des mathematischen Modells, vorzugsweise kontinuierlich, Temperaturwerte des Fluids an den Positionen der Temperatursensoren (140) berechnet, mit den tatsächlich gemessenen Temperaturwerten vergleicht und bei einer Abweichung der berechneten Temperaturwerte von den gemessenen Temperaturwerten, die größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, eine Warnung erzeugt.
Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (150) geeignet ist, die Temperatur im Kontrollabschnitt (130) basierend auf Temperaturmesswerten von nicht im Kontrollabschnitt angeordneten Temperatursensoren (140) zu berechnen und mit der im Kontrollabschnitt (130) gemessenen Temperatur zu vergleichen.
Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in das Leitungssystem (110) strömendes Fluid den Kontrollabschnitt (130) entweder über die Wärmetauschvorrichtung (120) oder eine Umgehungsleitung (115) erreicht, die die Wärmetauschvorrichtung (120) umgeht; und aus dem Leitungssystem (110) strömendes Fluid die Wärmetauschvorrichtung (120) nach dem Durchgang durch den Kontrollabschnitt (130) passiert.
Temperatursteuervorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei die Wärmetauschvorrichtung (120) eine erste Durchgangsleitung (122) und eine zweite Durchgangsleitung (124) aufweist, die jede mit jeweils einem Eingang und einem Ausgang der Wärmetauschvorrichtung (120) verbunden sind und zwischen denen Wärmeübertragung stattfinden kann; ein Eingang der Umgehungsleitung (115) mit dem Eingang der ersten Durchgangsleitung (122) und einem Eingang des Leitungssystems (110) verbunden ist; ein Ausgang der Umgehungsleitung (115) mit dem Ausgang der ersten Durchgangsleitung (122) und dem Kontrollabschnitt (130) verbunden ist; der Eingang der zweiten Durchgangsleitung (124) mit dem Kontrollabschnitt (130) verbunden ist; der Ausgang der zweiten Durchgangsleitung (124) mit einem Ausgang des Leitungssystems (110) verbunden ist; ein erster Temperatursensor (142) in dem Kontrollabschnitt (130) angeordnet ist; ein zweiter Temperatursensor (144) vor dem Eingang der zweiten Durchgangsleitung (124) angeordnet ist; ein dritter Temperatursensor (146) vor dem Eingang der ersten Durchgangsleitung (122) angeordnet ist; und ein Objekt (160) zwischen dem ersten Temperatursensor (142) und dem zweiten Temperatursensor (144) angeordnet ist, durch das Fluid nur mit der für den Kontrollabschnitt (130) eingestellten Temperatur fließen soll.
Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei die Wärmetauschvorrichtung (120) ein Befeuchter ist, in dem die Feuchte eines in der ersten Durchgangsleitung (122) strömenden Gases eingestellt werden kann.
Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das mathematische Modell einen Wärmeübergang in der Wärmetauschvorrichtung (120) und eine Mischung von durch die Umgehungsleitung (115) und durch die Wärmetauschvorrichtung (120) strömenden Fluids abbildet; und das mathematische Modell vorzugsweise zusätzlich Wärmeverluste in der Wärmetauschvorrichtung (120) und der Umgehungsleistung (115) und/oder thermische Massen von Wärmetauschvorrichtung (120) und Umgehungsleitung (115) berücksichtigt.
Brennstoffzellensystem (200) aufweisend eine Brennstoffzelle (210) mit einer Anode (212) und einer Kathode (214), die geeignet ist, unter Zuführung von Anodengas, insbesondere von Wasserstoff, zur Anode (212) und Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode (214) eine elektrische Spannung zu erzeugen; und eine Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche; wobei die Temperatursteuervorrichtung (100) zum Einstellen der Temperatur des Kathodengases geeignet ist; und der Kontrollabschnitt (130) vor der Kathode (214) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (300) mit einer Temperatursteuervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder mit einem Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 8.